盾構(gòu)法在哈爾濱化工路綜合管廊中的應(yīng)用研究

朱邦范， 陳立飛， 杜曉慶， 盛棋楸

(1. 上海大學(xué)土木工程系， 上海 200444； 2. 上海浦東建筑設(shè)計研究院有限公司， 上海 201204)

0 引言

綜合管廊是一種同時容納電力、通信、給排水、熱力、燃?xì)獾仁姓芫€的地下基礎(chǔ)設(shè)施[1]。綜合管廊由干線綜合管廊、支線綜合管廊和纜線綜合管廊組成。干線綜合管廊主要容納城市主干管線。支線綜合管廊是干線綜合管廊的分支，負(fù)責(zé)將干線管廊內(nèi)的供給分配給各個用戶。纜線綜合管廊主要容納城市架空的電力、通訊等電纜[2]。上海浦東建成了國內(nèi)第1條初具規(guī)模的綜合管廊。廣州大學(xué)城建成長約17.4 km的綜合管廊，是國內(nèi)已建成并投入運營規(guī)模最大的綜合管廊[3]。2013年開始，我國加大了對綜合管廊建設(shè)發(fā)展的力度，國務(wù)院先后印發(fā)了關(guān)于加強(qiáng)綜合管廊建設(shè)指導(dǎo)意見的文件，并在2015年公布了哈爾濱、廈門等10個城市為綜合管廊建設(shè)試點城市[4]。

綜合管廊的建設(shè)興起于歐洲，而我國綜合管廊的建設(shè)與研究起步較晚。薛偉辰等[5]較為系統(tǒng)地介紹了預(yù)制拼裝綜合管廊的構(gòu)造特點和實際應(yīng)用范圍； 譚忠盛等[6]對國內(nèi)外綜合管廊建設(shè)管理模式及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)與分析； 蒲貴兵等[7]以重慶市通江大道綜合管廊為例，提出了當(dāng)前城市綜合管廊建設(shè)存在的問題； 范翔[8]結(jié)合實例對綜合管廊節(jié)點設(shè)計方法進(jìn)行了總結(jié)； 龐瑞等[9]研究了不同裝配方式對矩形斷面雙艙綜合管廊受力性能的影響； 張帥軍[10]結(jié)合一些實際案例，分析了盾構(gòu)法施工在城市地下共同管溝的應(yīng)用前景。綜上，目前我國大規(guī)模采用盾構(gòu)法建設(shè)綜合管廊的實際工程案例較少，針對采用盾構(gòu)法建設(shè)綜合管廊的一些關(guān)鍵技術(shù)還很薄弱。當(dāng)前我國城市綜合管廊建設(shè)主要采用明挖法施工，但在老城區(qū)、商務(wù)核心區(qū)采用傳統(tǒng)明挖法施工存在諸多弊端。隨著施工的信息化、綠色環(huán)保化、機(jī)械化，采用盾構(gòu)法建設(shè)綜合管廊將是今后的發(fā)展趨勢。本文以哈爾濱化工路段綜合管廊為例，對綜合管廊施工工法的選擇進(jìn)行了分析，詳細(xì)介紹了化工路盾構(gòu)段綜合管廊的設(shè)計要點，以期為今后我國在城市老城區(qū)建設(shè)綜合管廊提供參考。

1 工程概況

老城區(qū)化工路綜合管廊屬于哈爾濱市綜合管廊2期建設(shè)項目的一部分。如今哈爾濱市一期綜合管廊試點工程已建成25.1 km。根據(jù)《哈爾濱市地下綜合管廊規(guī)劃》，哈爾濱市政府確定啟動2016—2020年綜合管廊2期工程建設(shè)，部分規(guī)劃如圖1所示。哈爾濱市2期綜合管廊規(guī)劃建設(shè)101.51 km，工程總投資約160億元。

圖1 哈爾濱綜合管廊2期部分規(guī)劃圖Fig. 1 Part of plan of Harbin utility tunnel Phase 2

化工路屬于哈爾濱三環(huán)范圍，是東部地區(qū)對外聯(lián)系的重要道路。化工路沿線地塊的發(fā)展歷史和規(guī)劃決定了化工路為目前哈爾濱客貨交通最繁忙的交通主干道。為避免今后鋪設(shè)管線反復(fù)開挖路面影響道路交通、浪費寶貴的地下空間資源、污染環(huán)境，擬實施化工路綜合管廊建設(shè)的路段為哈東路—閩江路。其中，哈東路—先鋒路段采用明挖法預(yù)制裝配式綜合管廊施工建設(shè)，先鋒路—閩江路段采用盾構(gòu)法施工建設(shè)。

先鋒路—閩江路段是第1條在高寒地區(qū)采用盾構(gòu)法施工的綜合管廊，在設(shè)計和施工中都要充分考慮冬季施工過程中可能遇到的各種問題，以保證工程施工質(zhì)量和施工安全。化工路綜合管廊規(guī)劃穿越中國石油哈爾濱石化公司化五專用鐵路線，在設(shè)計中應(yīng)謹(jǐn)慎處理施工期和運行期內(nèi)綜合管廊和鐵路專用線的結(jié)構(gòu)安全問題。此外，沿線分布有熱力、電力等若干管線，也需要在設(shè)計中提出相應(yīng)的保護(hù)措施。

2 化工路綜合管廊工法選擇研究

2.1 綜合管廊工法選型分析

綜合管廊建設(shè)主要以明挖法和盾構(gòu)法為主。表1對采用明挖法與盾構(gòu)法建設(shè)綜合管廊的優(yōu)缺點進(jìn)行了對比分析。

表1明挖法與盾構(gòu)法建設(shè)綜合管廊工法對比分析

Table 1 Comparison between open-cut method and shield method for construction of utility tunnel

施工工法優(yōu)點缺點明挖法 1)施工技術(shù)簡單,工程造價較低; 2)采用分段施工的方式可縮短管廊建設(shè)周期,適用于新建城區(qū)管網(wǎng)建設(shè) 1)施工前需要規(guī)劃好施工過程中路面交通引流方案,避免管廊的施工對道路交通運輸產(chǎn)生過大影響; 2)需要搬遷原有路面下的各類管線,另外,明挖法需進(jìn)行基坑圍護(hù)、排水等施工措施,不適合在老城區(qū)交通主干道采用明挖法建設(shè)綜合管廊盾構(gòu)法 1)不受地面交通、河流、季節(jié)和地質(zhì)條件等外部環(huán)境因素的影響,能夠經(jīng)濟(jì)安全地保證綜合管廊施工; 2)采用盾構(gòu)法施工推進(jìn)、出土、襯砌拼裝等可實行自動化、智能化和施工遠(yuǎn)程控制信息化,其勞動強(qiáng)度遠(yuǎn)低于明挖法; 3)地面上部原有自然景觀和建筑風(fēng)貌可以得到良好的保護(hù),不會受到盾構(gòu)施工的破壞,在老城區(qū)、交通密集區(qū)、城市商務(wù)核心區(qū)建設(shè)綜合管廊尤其能突顯盾構(gòu)法施工的優(yōu)越性; 4)對于埋深較深、直徑大、距離長的綜合管廊,盾構(gòu)法施工具有技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、安全等方面的優(yōu)勢 1)盾構(gòu)法一般運用城市地下軌道交通建設(shè),目前市面上還沒有開發(fā)出適用于地下綜合管廊特點的盾構(gòu)設(shè)備,綜合管廊的斷面尺寸選擇受制于當(dāng)?shù)氐亩軜?gòu)機(jī)型及設(shè)備; 2)采用盾構(gòu)法施工建設(shè)成本較高,綜合管廊盾構(gòu)法施工與管廊附屬設(shè)施,如管線引出口、通風(fēng)口、逃生口等特殊節(jié)點設(shè)計相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)還不完善,廊道內(nèi)各類管線的支架設(shè)計等問題尚待解決

2.2 化工路管線敷設(shè)現(xiàn)狀概述

化工路地下現(xiàn)有公用各類管線密布，特別是先鋒路—閩江路段有多條重要主干管線。位于現(xiàn)狀道路東側(cè)有1根DN1 000中石油輸水專用管線、1根DN1 000哈熱電廠輸水專用管線； 道路西側(cè)有1根DN700第七水廠供水管線為沿線區(qū)域服務(wù)；機(jī)動車道下方有2根DN1 000供熱管線一供一回；道路兩側(cè)人行道下有2根DN800、1根DN500雨水管線； 有1根DN700高壓燃?xì)猓：勇芬阅衔挥跈C(jī)動車道下方，以北位于西側(cè)綠化帶。化工路現(xiàn)狀管線橫斷面布置見圖2。

圖2 化工路現(xiàn)狀管線橫斷面布置

2.3 化工路采用盾構(gòu)法施工的原由

化工路綜合管廊場地屬于崗阜狀平原地貌單元，地基土分布比較均勻，性質(zhì)變化不大，從上到下顆粒由細(xì)到粗分布。表層由雜填土組成，地基土主要由黏性土和砂類土組成。盾構(gòu)綜合管廊位于粉質(zhì)黏土層、中砂層及粗砂層。

化工路由于其特殊的地理位置，目前是哈爾濱客貨交通最繁忙的城市交通主干道。道路兩側(cè)原大型企業(yè)較多，例如哈投供熱、中石化哈爾濱分公司、第七水廠等，造成化工路下大口徑公用管線較多。這些現(xiàn)狀條件造成在化工路(先鋒路—閩江路段)采用明挖法施工綜合管廊難度較大，管線臨遷費用昂貴，施工期間易出現(xiàn)交通癱瘓等問題。在化工路(先鋒路—閩江路段)采用盾構(gòu)法建造地下綜合管廊最大限度地減少了綜合管廊建設(shè)期間對城市交通、地下管線和周邊環(huán)境的影響，充分體現(xiàn)了綠色、創(chuàng)新的城市發(fā)展理念。

3 盾構(gòu)段綜合管廊設(shè)計要點分析

3.1 盾構(gòu)綜合管廊橫斷面設(shè)計

盾構(gòu)區(qū)間擬設(shè)置在現(xiàn)狀機(jī)動車道，為避開東側(cè)2根DN1 000給水管，擬將盾構(gòu)始發(fā)井及綜合井節(jié)點布置在靠近機(jī)動車道西側(cè)。根據(jù)化工路(先鋒路—閩江路)段規(guī)劃設(shè)計入廊管線的種類、規(guī)格、支架尺寸、預(yù)留管廊檢修和施工通道、二次襯砌設(shè)計等因素，設(shè)計盾構(gòu)段綜合管廊內(nèi)徑為5.9 m、管片厚度為0.35 m，盾構(gòu)埋設(shè)深度6.6 m，雙向盾構(gòu)施工。管廊斷面見圖3—5。

圖3化工路(先鋒路—閩江路)西線標(biāo)準(zhǔn)斷面圖

Fig. 3 Standard cross-section of West Line of Huagong Road (Xianfeng Road to Minjiang Road)

圖4 化工路(先鋒路—長江路)東線標(biāo)準(zhǔn)斷面圖

Fig. 4 Standard cross-section of East Line of Huagong Road (Xianfeng Road to Changjiang Road)

圖5 化工路(長江路—閩江路)東線標(biāo)準(zhǔn)斷面圖

Fig. 5 Standard cross-section of East Line of Huagong Road (Changjiang Road to Minjiang Road)

3.2 盾構(gòu)綜合管廊襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計

1)襯砌結(jié)構(gòu)安全等級和耐火等級均為一級，防水等級為二級，設(shè)計使用年限為100年。

2)結(jié)構(gòu)按7度抗震設(shè)防，并按8度采取相應(yīng)構(gòu)造措施。

3)襯砌結(jié)構(gòu)變形要求： 計算直徑變形≤2D‰(D為外徑)，裂縫寬度≤0.2 mm。

4)結(jié)構(gòu)施工階段抗浮安全系數(shù)≥1.1，運營階段抗浮安全系數(shù)≥1.2。

5)普通鋼筋混凝土管片采用高強(qiáng)混凝土C55，混凝土抗?jié)B等級為P8。

6)鋼筋混凝土襯砌需在高精度鋼模內(nèi)制作成型，每環(huán)由封頂塊、鄰接塊、標(biāo)準(zhǔn)塊、拱底塊構(gòu)成。主筋保護(hù)層厚度為50 mm，構(gòu)造鋼筋保護(hù)層厚度為25 mm。

3.3 內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計

化工路綜合管廊內(nèi)部管線支架體系采用鋼框架支撐結(jié)構(gòu)。若內(nèi)部管線支架體系采用混凝土結(jié)構(gòu)，綁扎鋼筋、混凝土澆筑和養(yǎng)護(hù)施工周期長，混凝土分艙結(jié)構(gòu)在艙內(nèi)二次噴漿工藝較為復(fù)雜，而且工程造價高。因此，化工路綜合管廊內(nèi)部管線支架體系采用鋼框架支撐結(jié)構(gòu)更為經(jīng)濟(jì)合理，鋼框架采用預(yù)埋件與管道基礎(chǔ)連接。對電纜艙采用壓型鋼板樓面分隔，水平分隔板采用鋼格柵板。

3.4 盾構(gòu)綜合管廊綜合井設(shè)計

考慮到綜合管廊出線、通風(fēng)、吊裝、逃生等功能的實現(xiàn)及體現(xiàn)盾構(gòu)法施工的優(yōu)勢，化工路盾構(gòu)段沿線東西兩側(cè)擬設(shè)置3處綜合井節(jié)點，盾構(gòu)段綜合井設(shè)置見圖6。城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范要求逃生口間距在敷設(shè)電力電纜和天然氣管道的艙室不宜大于200 m，敷設(shè)熱力管道和其他管道的艙室不大于400 m。綜合管廊吊裝口間距不宜超過400 m[11]。化工路是城市交通主干道，考慮到每200 m設(shè)置1個綜合井時，施工期間對路面道路交通影響較大而且工程造價高，化工路入廊管線中對于火災(zāi)出現(xiàn)可能性較大的天然氣管線不入廊，對敷設(shè)的電力電纜管線采用電子監(jiān)控系統(tǒng)實時對電力管線溫度、電壓等進(jìn)行檢測預(yù)警。對于熱力和給水管線綜合井間距，基本滿足規(guī)范要求。考慮到支線路口間距、方便出線、與相鄰道路管線接口等因素，采用500 m左右間距設(shè)置綜合井，從安全性和經(jīng)濟(jì)性上考慮是可行的。

圖6 盾構(gòu)段綜合井設(shè)置(單位： m)

綜合管廊綜合井設(shè)計一般采用2種方法。一種方法是按不同功能對進(jìn)風(fēng)口、排風(fēng)口、投料口、逃生口、吊裝口等分別設(shè)置單個節(jié)點。另一種方法是集約化地將多個節(jié)點組合布置于1個綜合井內(nèi)。采用組合節(jié)點井能減小地面口部的數(shù)量，便于管理，美化景觀效果，減少管廊非標(biāo)段的長度，便于標(biāo)準(zhǔn)段預(yù)制拼裝工藝的推廣和使用[12]。

化工路綜合管廊節(jié)點井采用綜合節(jié)點井設(shè)計，考慮綜合管廊出線、通風(fēng)、吊裝、逃生、變配電間等功能在一個綜合井內(nèi)的實現(xiàn)，減少盾構(gòu)區(qū)間綜合井的設(shè)置，避免過多節(jié)點井在施工期間對交通的影響，充分發(fā)揮盾構(gòu)法施工的性價比。綜合管廊綜合井如圖7所示。

(a) 綜合井平面圖

(b) A1—A1剖面圖

4 施工工藝

4.1 高寒地區(qū)施工

化工路綜合管廊是目前我國第1條在高寒地區(qū)采用盾構(gòu)法施工的綜合管廊。哈爾濱地處高寒地區(qū)，全年可施工工期短，采用土壓平衡式盾構(gòu)法可在冬季進(jìn)行施工。冬季施工盾構(gòu)需采取合適的加熱保溫措施，以保證盾構(gòu)在高寒地區(qū)順利運轉(zhuǎn)[13]。在開始盾構(gòu)施工前，需優(yōu)化施工組織方案，充分考慮冬季施工過程中可能遇到的各種問題，保證工程施工質(zhì)量和施工安全。

4.2 下穿化五專用鐵路線

化工路綜合管廊規(guī)劃穿越中國石油哈爾濱石化公司化五專用線走行線，鐵路線位于化工路長江路路口以北約400 m，既有ZK0+103.46有1處平交道口，寬度32 m，橡塑鋪面，沿線分布有熱力、電力等若干管線。為降低盾構(gòu)穿越工程風(fēng)險，采取以下措施： 1)在道路兩側(cè)預(yù)埋注漿管，以控制施工期間和盾構(gòu)穿越后的鐵路沉降量； 2)施工期間降低列車載重與頻次，并且在施工期間列車限速為45 km/h； 3)施工期間加強(qiáng)沉降監(jiān)測工作。

5 結(jié)論與討論

1)對比分析了綜合管廊明挖法和盾構(gòu)法的優(yōu)缺點。化工路綜合管廊采用盾構(gòu)法施工能有效避免交通導(dǎo)改困難、管線搬遷工作量大等問題。盾構(gòu)法施工采用預(yù)制管片安裝，減少了現(xiàn)場施工工作量，對環(huán)境影響小，屬于綠色、現(xiàn)代化施工工藝。

2)在道路兩側(cè)采取預(yù)埋注漿和列車限載限速等措施下，盾構(gòu)法施工下穿化五專用鐵路線是安全可行的。

3)盾構(gòu)截面形式采用圓形斷面空間有效利用率較低，隨著今后施工技術(shù)的發(fā)展，盾構(gòu)管廊截面可采用矩形或橢圓形等其他形式。

4)管線引出口、通風(fēng)口、逃生口等特殊節(jié)點設(shè)計相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)還不完善，廊道內(nèi)各類管線的支架設(shè)計等問題尚待解決。